(57)【要約】【課題】  低温処理でも優れた特性を有すると共に、ゲート電圧が０のときに電流が流れ、ゲート電圧が＋になっていくと電流が減少する電界効果型トランジスタを提供する。【解決手段】  ゲート電極として用いる導電性Ｐ型シリコンウェフアーのシリコン基板（Ｐ−Ｓｉ）の表面に、ゲート絶縁膜として熱酸化シリコン膜（ＳｉＯ2）を形成する。次に、ゲート絶縁膜を形成した基板の上に、ソース電極及びドレイン電極となる金薄電極を形成する。次に、ソース電極及びドレイン電極の間の基板上に、ナノチタニア層を形成する。ナノチタニア層の形成は、ナノチタニア粒子を水又はエタノール中に分散した後、スキージで塗布し、その後、乾燥させることによって、ナノチタニア粒子膜を製造する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極とドレイン電極の間の電流路となるチャンネル領域が形成される半導体層と、該チャンネル領域に流れる電流を制御する電圧が印加されるゲート電極と、該ゲート電極とチャンネル領域の間に設けられる絶縁層とを備える電界効果型トランジスタにおいて、
前記半導体層は、ナノポーラス粒子状の半導体により形成したことから成る電界効果型トランジスタ。
【請求項２】
前記ナノポーラス粒子状の半導体は、酸化チタン、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ストロンチウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、カーボンナノファイバー、半導体ポリマー結晶、半導体有機結晶のいずれかである請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項３】
前記ナノポーラス粒子状の半導体は、粒子間の空間に絶縁物を充填した請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項４】
前記半導体層は、ゲート電極として用いる導電性Ｐ型シリコンウェフアーのシリコン基板（Ｐ−Ｓｉ）の表面に、ゲート絶縁膜として熱酸化シリコン膜（ＳｉＯ2）を形成した基板の上に形成される請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項５】
前記半導体層は、プラスチック基板上に形成される請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項６】
ソース電極とドレイン電極の間の電流路となるチャンネル領域が形成される半導体層と、該チャンネル領域に流れる電流を制御する電圧が印加されるゲート電極と、該ゲート電極とチャンネル領域の間に設けられる絶縁層とを備える電界効果型トランジスタの製造方法において、
前記半導体層を、ナノポーラス粒子状の半導体により形成したことから成る電界効果型トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート電圧を印加しない場合には電流が流れ、ゲート電圧を印加した場合には電流が減少する特徴を有する電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン系のような電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）は、ソース・ドレイン間を流れる電流をゲート電圧でオン、オフするものであり、多くの電気機器、電子機器に使われている。最近、シリコン系のＦＥＴに代わって、プラスチック上に形成できる有機材料によるＦＥＴが注目されている。印刷技術で安価に製造することができ、例えば使い捨てのタグに有望である。
【０００３】
有機材料によるＦＥＴは、有機半導体（ポリチオフェン、ポリアニリン等）を蒸着、またはスピンコートすることにより、シリコン半導体ＦＥＴと同様な構造を作製したことが報告されている。図７は、このような有機材料によるＦＥＴを説明する図である。ゲート電極として用いる導電性ｎ型シリコンウェフアーのシリコン基板の表面に、ゲート絶縁膜として熱酸化シリコン膜を形成した状態の基板を用いる。次に、導電性共役系高分子としてポリチオフェン、ポリアニリン等を、熱酸化シリコン膜の上に形成して、半導体層となる共役系高分子配向薄膜を形成する。次に、この上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する。そして、各電極からの引き出し線を必要に応じて形成する。
【０００４】
このような構成によって、ＦＥＴ素子のソース電極とドレイン電極間に設けた半導体層内に形成されるチャンネルの導電性を、ゲート絶縁膜を介して設けたゲート電極によって制御し、駆動する。即ち、ゲート電圧により、ソース・ドレイン間電圧に対するソース・ドレイン間電流を制御することができる。
【０００５】
しかし、有機半導体ＦＥＴは、シリコン半導体ＦＥＴと比較して性能に問題がある（非特許文献１参照）。また、従来の有機半導体ＦＥＴは、高温プロセスで作製されるため、これらをプラスチック基板に作製することは困難であった。
【非特許文献１】JIRO SAKATA and MIDORI MOCHIZUKI, Thin Solid Films, 195(1991)，P175-184
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、プラスチック基板上にも形成することのできる低温処理でも優れた特性を有すると共に、ゲート電圧が０のときに電流が流れ、ゲート電圧が＋になっていくと電流が減少する電界効果型トランジスタを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電界効果型トランジスタ及びその製造方法は、ソース電極とドレイン電極の間の電流路となるチャンネル領域が形成される半導体層と、該チャンネル領域に流れる電流を制御する電圧が印加されるゲート電極と、該ゲート電極とチャンネル領域の間に設けられる絶縁層とを備えるものにおいて、半導体層を、ナノポーラス粒子状の半導体により形成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
有機半導体ＦＥＴの有機半導体層の替わりに、半導体ナノ粒子の集合体を形成すると、有機半導体とは逆に、ゲート電圧をかけないときは電流が流れ、ゲート電圧をかけると電流値が減少する。しかも、性能的には有機半導体より優れ、シリコン系との中間に位置することが分かった。半導体ナノ粒子であれば、有機半導体同様に印刷で作成可能であり、安価に製造することができる。また、低温プロセスが可能であるために、特に、プラスチック基板において性能向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する電界効果型トランジスタの一例の作製工程を説明する図である。図１（Ａ）において、ゲート電極として用いる導電性Ｐ型シリコンウェフアーのシリコン基板（Ｐ−Ｓｉ）の表面に、ゲート絶縁膜として熱酸化シリコン膜（ＳｉＯ2）を形成する。次に、図１（Ｂ）において、ゲート絶縁膜を形成した基板の上に、ソース電極及びドレイン電極となる金薄電極を形成する。これらソース、ドレイン電極材質の一例は、アルミニウム、白金、金、マグネシウムである。次に、図１（Ｃ）において、ソース電極及びドレイン電極の間の基板上に、さらには、これら電極の上をも覆うように、ナノチタニア層を形成する。ナノチタニア層の形成は、ナノチタニア粒子（例えば、昭和電工社製のＦ６）を水又はエタノール中に分散した後、スキージで塗布し、その後、例えば、１５０℃の温度で乾燥することによって、ナノチタニア粒子膜を製造する。このように製造されたナノチタニア粒子膜の微粒子（ナノ粒子）間には、空間が形成される。本明細書において、「ナノポーラス粒子」とは、互いの間に空間が形成されて穴のある状態（ポーラス状態）の「ナノ粒子」を意味する用語として用いている。このナノ粒子間の空間は、空間のままにもすることができるし、また、絶縁物（誘電体）を充填して動作させることもできる。ナノ粒子間空間内への絶縁物の充填は、絶縁物を溶剤に溶かして浸透させた後、溶剤を除去して乾燥し、この操作を繰り返すことにより可能となる。そして、各電極からの引き出し線（図示省略）を形成する。
【００１０】
図２は、上記のようにして形成された電界効果型トランジスタの異なる構成を例示する図である。（Ｂ）は、ボトムコンタクト型であり、図１を参照して上述したようにして構成される。図示したナノチタニア層（半導体層）の中に、ソース電極とドレイン電極間の電流路となるチャンネル領域が形成される。少なくともチャンネル領域との間においてゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極には、チャンネル領域に流れる電流を制御する電圧が印加される。
【００１１】
図２（Ａ）は、トップコンタクト型を示している。ゲート電極として用いる導電性Ｐ型シリコンウェフアーのシリコン基板（Ｐ−Ｓｉ）の表面に、ゲート絶縁膜として熱酸化シリコン膜（ＳｉＯ2）を形成し、そして、その上に、ナノチタニア層を形成する。この後、ナノチタニア層上の所定の位置に、ソース電極及びドレイン電極となる金薄電極を形成する。
【００１２】
図２（Ａ）或いは（Ｂ）に示すような構成によって、ＦＥＴ素子のソース電極とドレイン電極間に設けた半導体層であるナノチタニア層の導電性を、絶縁層を介して設けたゲート電極によって制御し、駆動する。即ち、ゲート電圧により、ソース・ドレイン間電圧に対するソース・ドレイン間電流を制御する。
【００１３】
図３及び図４は、ゲート電圧に応じて電流値を調整し、或いは電流値のオン、オフを行うことを可能にするメカニズムを説明する図である。本発明の電界効果型トランジスタは、半導体層を半導体ナノ粒子の集合体で形成したものであり、これによって、ナノ粒子は、ソース、ドレインの間において、互いにつながっている連続構造を形成しつつ、ナノポーラス粒子は、ゲート絶縁膜（ＳｉＯ2）との間に空間又は絶縁物を有している。図３は、このようなナノポーラスな半導体を形成した電界効果型トランジスタに、＋電位のゲート電圧を印加した場合を示している。図示したように、n-型チタニアの酸素欠陥に基づく自由電子がゲート絶縁膜（ＳｉＯ2）近傍に吸い寄せられ、ナノポーラス粒子底部に固定されることになり、自由に行動できるキャリアー密度が低下する。このため、＋電位のゲート電圧を印加することにより電流が減少することになる。このように、図示のＦＥＴ素子構造を有するデバイスは、ゲート絶縁膜（ＳｉＯ2）とそれに接する粒子状の半導体層の間に隙間が存在するために、電圧を印加することによって、＋または−チャージが固定化されることになって性能を発揮する。
【００１４】
図４は、ゲート電圧を印加しない場合の動作を説明する図である。ナノポーラスな半導体を形成した電界効果型トランジスタに、ゲート電圧を印加しない場合、ナノポーラス粒子層のn-型であるチタニアは、酸素欠陥に基づく自由電子の存在で導電性を有する。これによって、ソース、ドレイン電極間に電圧を印加すると、ソース・ドレイン間に電流が流れることになる。
【００１５】
以上、本発明を、n-型チタニア半導体層を例として説明したが、本発明は、これに限られること無く、Ｐ−型、n-型によらず作動する。また、粒子状の半導体としては、酸化チタン以外にも、例えば、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ストロンチウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、カーボンナノファイバー、半導体ポリマー結晶、半導体有機結晶などを用いることができる。
【００１６】
また、ゲート電極として用いるシリコン基板（Ｐ−Ｓｉ）、及びその表面に形成されるゲート絶縁膜としての熱酸化シリコン膜（ＳｉＯ2）を例として本発明を説明したが、本発明は、低温処理でも優れた特性を有するために、プラスチック基板上に形成することも可能となる。ナノチタニア粒子膜の形成は、既にナノ結晶化しているものを塗布するだけなので、溶剤を除去する１００℃程度の温度でも形成することができる。従って、プラスチック基板に使用することができる。
【００１７】
プラスチック基板上に形成する場合、従来の有機電界効果トランジスタにおいて通常に行われているように、プラスチック基板（例えば、PET、PEN、ポリイミド、ポリプロピレン、塩化ビニル、poriimido ,PEEKなどのエンジニアリングプラスチック）上に、ゲート電極として機能する有機導電体層を形成し、さらにその上に、ゲート絶縁膜として機能する有機絶縁体層（例えば、ポリイミドに代表される有機絶縁ポリマー）を形成する。ここで、有機導電体は最も一般的には，有機半導体にドーパント（電子吸引性または電子供与性物質）をドープすることにより得られる。有機半導体にはポリチオフェン，ポリピロール，ポリアニリン，ポリアセチレン，ポリフェニレン，ポリフラン，ポリセレノフェン，ポリイソチアナフテン，ポリフェニレンスルフィド，ポリフェニレンビニレン，ポリチエニレンビニレン，ポリナフタレン，ポリアントラセン，ポリピレン，ポリアズレン，フタロシアニン，ペンタセン，メロシアニンおよびこれらの誘導体など多くの種類が知られている。また、ドーパントには，ヨウ素，過塩素酸，塩酸，硫酸，硝酸，リン酸，四フッ化硼酸，五フッ化ヒ素，六フッ化リン酸，アルキルスルホン酸，パーフルオロアルキルスルホン酸，ポリアクリル酸，ポリスチレンスルホン酸などが知られている。
【００１８】
このようにしてゲート電極及びゲート絶縁膜が形成された基板上に、図１或いは図２を参照して前述したのと同様に、ナノチタニア層及びソース、ドレイン電極を形成して、電界効果型トランジスタを構成する。
【００１９】
或いは、プラスチック基板上に直接、図１或いは図２を参照して前述したのと同様に、ナノチタニア層及びソース、ドレイン電極を形成する。そして、そのナノチタニア層の少なくともチャンネル領域の上に、従来の有機電界効果トランジスタにおいて通常に行われているように、ゲート絶縁膜として機能する有機絶縁体層を、さらにその上に、ゲート電極として機能する有機導電体層を形成することにより、電界効果型トランジスタを構成することも可能である。
【００２０】
図５は、チタニアナノ結晶からなるＦＥＴについての測定結果を示すグラフである。ゲート電圧（Ｖｇ）を０Ｖから、１０Ｖ，２０Ｖ，３０Ｖと＋に増加するように掛けていくと、ドレイン電流値が減少することが示されている。
【００２１】
図６は、緻密チタニアからなるＦＥＴについての測定結果を示すグラフである。なお、この緻密チタニアＦＥＴは、本発明のチタニアナノ結晶からなるＦＥＴと比較するために作成した比較例である。緻密チタニア層は、チタニアテトライソプロポキシドをメタノールに溶解し、これをスピンコート後、150℃で加熱することにより作成した。この緻密チタニアＦＥＴに、ゲート電圧（Ｖｇ）を＋に増加するように掛けていくと、ドレイン電流値が増加することが示されている。これは、通常のｎチャンネル出力特性と同じである。
【００２２】
上述のように、チタニアナノ粒子を積層して作製したＦＥＴは、チタニア緻密層を積層して作製したＦＥＴとは、極性が反対であった。つまり、チタニアはn型半導体であり、＋電位を印加したときに、電流が多く流れる。しかしナノチタニアを積層したＦＥＴは＋電位をかけると電流が減少するという逆の減少が見られた。このため、ゲート電圧が０のときに電流が流れ、ゲート電圧が＋になっていくと電流が減少する。これによって、オン、オフ比を大きく取ることが可能となる。さらにナノチタニア積層膜は１００℃程度の低温でも成膜が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明を具体化する電界効果型トランジスタの一例の作製工程を説明する図である。
【図２】電界効果型トランジスタの異なる構成を例示する図である。
【図３】＋電位のゲート電圧を印加した場合について、電流値を調整し、或いは電流値のオン、オフを行うメカニズムを説明する図である。
【図４】ゲート電圧を印加しない場合について、電流値を調整し、或いは電流値のオン、オフを行うメカニズムを説明する図である。
【図５】チタニアナノ結晶からなるＦＥＴについての測定結果を示すグラフである。
【図６】緻密チタニアからなるＦＥＴについての測定結果（比較例）を示すグラフである。
【図７】従来技術の有機材料によるＦＥＴを説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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